航空发动机两级燃油泵振动特性的影响因素

为了解承受离心、油液扭矩载荷的燃油泵装配体结构振动特性及影响因素,选取某航空发动机两级燃油泵转动部件为分析对象,基于通用有限元软件平台建立两级燃油泵转动部件装配体结构、单个低压级叶轮的三维有限元模型.根据两级燃油泵在最大起飞工作状态下的工作参数,计算出其转动部件受到的离心、油液扭矩载荷,再利用有限元软件计算了转动部件装配体结构、单个低压级叶轮在无外载荷作用下的、只有离心载荷作用的、只有油液扭矩载荷作用的、离心和油液扭矩载荷同时作用的自振频率和振型.通过对计算结果的对比分析,发现了离心载荷、油液扭矩载荷、构造(转动部件装配体或单个零件)因素对两级燃油泵转动部件频率、振型的影响规律,对其他与油液有相互作用的旋转部件振动特性的计算和分析具有重要指导意义.     

基于热固耦合预应力的发动机叶片模态分析方法

发动机叶片在工作环境中承受着热载荷、离心载荷和气动载荷的共同作用,导致材料的机械性能发生变化,使得发动机叶片振动频率及形态与室温静止状态有所不同。为了综合考虑各种因素的共同影响,准确分析发动机叶片在实际工作状态下的固有振动频率及振型,运用有限元分析软件ANSYS,由热分析得到叶片的温度场,并将其耦合到结构分析单元,进行结构分析得到叶身的热应力分布后,施加离心载荷与气动载荷,对叶片进行重启动分析,得到叶片的综合应力分布,并以此为预应力对叶片进行模态分析,计算叶片工作状态下的固有振动频率及振型。分析中综合考虑了温度场及应力场对叶片模态的影响,找到了基于热固耦合预应力的发动机叶片模态分析方法。     

复杂载荷下硬涂层对整体叶盘的减振特性

为了研究硬涂层对航空发动机整体叶盘在复杂载荷下的振动影响,通过有限元分析的方法对比研究了其振动特性。首先,建立整体叶盘三维模型,导入ANSYS Workbench软件中,并在叶片的侧面添加NiCoCrAIY+YSZ硬涂层;其次,使用一维插值的方法对航空发动机整体叶盘进行稳态温度场设置,采用Fluent模块对整体叶盘气动载荷进行添加,运用预应力模态分析法研究在离心载荷、温度载荷和气动载荷作用下,硬涂层对整体叶盘非线性振动特性的影响;最后,绘制坎贝尔图,分析在不同转速下硬涂层整体叶盘的共振情况,采用谐响应分析研究其振动位移响应。结果表明：整体叶盘叶尖处更容易受到振动的影响;涂敷硬涂层可以降低整体叶盘的固有频率、响应峰值,且能减少共振点数量。可见硬涂层对整体叶盘减振具有积极影响。     

某航空发动机高压压气机盘的振动特性分析

基于含预应力结构模态分析的有限元理论,对某典型航空发动机压气机盘进行振动特性分析。根据初始设计参数,在通用有限元软件中建立起盘的三维有限元模型。首先计算了盘在不旋转时的频率和振型,然后计算了盘在常用转速下存在预应力时的频率和振型,并分析了离心负荷对盘固有振动特性的影响。最后分析了盘的行波振动特性,计算了节径振动的行波频率,考虑盘外缘叶片受到的周期性气体力对盘的激振影响,画出共振特性曲线,为后续结构分析和排故提供依据;同时发现盘的驻波临界转速高于盘的最大工作转速,表明该盘不会发生驻波共振,对保证该发动机的可靠工作具有重要意义。     

地面声学环境下的无人机螺旋桨气动噪声试验

为了研究某无人机螺旋桨在地面起飞工况下的气动噪声,研制了螺旋桨气动噪声试验平台,在地面声学环境下开展了螺旋桨的气动噪声试验,获取了螺旋桨的气动性能和远场噪声特性,分析了拉力、扭矩等气动参数和远场噪声指向性等随螺旋桨转速、桨叶角的变化规律。结果表明：拉力、扭矩等气动参数随着转速、桨叶角的增大而增大;远场噪声最大的区域随着螺旋桨转速和桨叶角的变化而移动;所建立的试验平台和方案可以为飞机螺旋桨的气动噪声评估和优化提供帮助。     

桨叶尖削对高空无人机气动性能影响

螺旋桨在临近空间高速运转时,由于工作环境大气物理特性,桨尖区域受空气压缩性影响严重,使螺旋桨气动性能降低。为了改善高空螺旋桨的高速性能,将翼尖修形的思想应用于高空无人机螺旋桨上,分别对螺旋桨桨尖区域进行不同角度的尖削。计算模型应用多参考系模型和周期性边界条件,对不同尖削桨叶运行状态进行模拟并对桨叶气动性能进行计算,根据计算结果分析桨叶尖削对螺旋桨气动性能的影响。研究结果表明：对螺旋桨桨尖区域进行尖削,可以减缓桨尖空气压缩性影响,减小桨尖阻力,进而提升螺旋桨气动性能,且当尖削角度α=70°时,螺旋桨的高速性能最佳,其气动效率相比与原始桨叶提升约5%。     

螺旋桨CFD不确定度及叶形对桨叶变形的影响

为了研究螺旋桨在水动力作用下的变形特性,通过计算流体力学(CFD)理论,结合雷诺平均Navier-Stokes方程并选用SSTk-ω湍流模型对438X系列螺旋桨的敞水性能进行数值模拟;针对4381螺旋桨设计了3套网格,并进行了螺旋桨敞水性能的不确定度分析;将CFD软件计算与有限元法求解相耦合,计算所得水动力载荷通过插值技术传递给螺旋桨,以分析桨叶应力分布及其叶梢处的变形情况.结果表明,在水动力载荷作用下,复合材料螺旋桨桨叶将产生明显变形,且不同螺旋桨所产生的侧斜和纵倾等均不同,在复合材料螺旋桨的设计和流-固耦合计算中必须加以考虑.     

集中冰载工况下的桨叶边缘强度校核方法

在冰区桨设计过程中,往往需要对其桨叶边缘区域进行强度校核,防止与冰块接触过程中桨叶边缘出现缺口,对螺旋桨的水动力、空泡、噪声等性能产生影响.为了能够快速实现桨叶边缘强度校核,基于IACS URI3规范和有限元法(FEM),建立了集中冰载工况下的桨叶边缘强度校核方法.针对螺旋桨几何结构特殊性,将桨叶沿径向、弦向以及厚度方向划分成一系列八节点六面体单元,发展了螺旋桨有限元网格自动剖分方法,可以根据加载位置合理地进行网格划分,以FEM计算集中冰载作用下的桨叶应力和变形分布.以PC3级冰区桨为例,开展了桨叶边缘强度的分析和校核.计算结果表明:在集中冰载作用下桨叶边缘区域有较大应力集中,容易造成桨叶边缘区域的损坏.     

螺旋桨气动/噪声多目标优化设计

针对某大尺寸螺旋桨开展气动/噪声多目标优化设计。基于升力面理论,开展了螺旋桨气动性能计算,通过与试验结果对比,验证了计算结果的准确性;基于Hanson频域远场噪声计算方法,开展了螺旋桨远场噪声评估;以螺旋桨桨叶沿展向分布的弦长、安装角、弯和掠为设计变量,在不改变螺旋桨桨叶数、半径和转速的情况下,以螺旋桨气动性能不降低和远场噪声降噪最大为优化目标,开展螺旋桨的气动与噪声联合优化设计,优化设计结果与高精度算法的计算结果进行了对比验证。优化结果表明,在不降低螺旋桨气动性能的情况下,优化设计的螺旋桨在1阶离散分量处的远场气动噪声降低5dB,2阶和3阶离散分量处也有明显的降噪效果。     

某天气雷达站塔楼结构时程分析

运用通用有限元程序ANSYS对某天气雷达站塔楼结构进行了自振特性分析及地震载荷作用下的时程分析，通过计算得出了雷达站塔楼的前20阶频率、振型，并进一步计算了在地震作用下时程分析的位移及内力，结果表明该结构具有很大的抗侧刚度，且沿高度分布均匀，自振频率满足结构使用要求，验证了结构设计的可靠性，为结构设计提供了可靠的参考数据．     

某型发动机压气机叶-盘结构优化分析

为快速提高后续批次发动机推重比,针对压气机转子叶-盘-鼓基本结构单元,基于通用有限元软件优化设计平台和循环对称结构静应力分析方法,在不改变叶片气动外形、盘鼓连接半径等强约束条件下,通过合理预设需优化位置的形状和尺寸设计变量,建立从榫头-榫槽连接式叶盘结构到整体叶盘结构的两步优化方法,缩减了优化迭代过程中结构静应力计算用的三维有限元模型规模,提高了优化效率。运用该法对某发动机高压压气机第三级叶盘结构进行优化设计,将最大转速下叶、盘、鼓的离心和气动载荷施加到优化迭代过程中、结构静应力计算用的有限元模型上,同时设置既可线性求解、又能计入接触面上真实应力状态的叶、盘、鼓间的接触,贴合承载和接触实际。采用一阶方法进行优化求解,得到满足约束条件的尺寸设计变量解。对比分析优化前后结构的应力分布,证实该法有效,在保证结构可靠性的前提下,获得了较好减重效果。     

气动力作用下旋转叶片的动力特性研究

气固耦合振动是叶片振动的影响因素之一,为了了解旋转机械中叶片在气流作用下的动力特性,使用CFX和ANSYS分别求解流场和结构响应.探讨了叶片在气流激励下的耦合计算方法,将旋转叶片与气流作为一个系统进行气流场与固体弹性结构的瞬态动态响应计算.建立了一个旋转叶片流道模型,对气流场进行全场三维非定常瞬态求解,将非定常气动载荷引入旋转叶片有限元结构计算中,得到叶片在不同转速下的强迫响应,并对其响应位移变化进行分析比较.结果显示在非定常条件下,叶片的不稳定范围位于固有频率附近.此研究为工程上对旋转叶片的动力响应预估和研究提供了一个可行的方法.     

整体叶盘结构模态特性分析及应力分布规律

为了研究整体叶盘结构的模态特性及应力分布规律,基于有限元分析方法建立了整体叶盘结构有限元仿真模型,对自由状态及离心力载荷下的整体叶盘进行模态及振动特性分析;并探究实心与空心整体叶盘的应力分布差异及不同叶片间隙的整体叶盘应力分布规律。为了验证仿真结果的准确性,基于多点激励单点响应方法开展了整体叶盘结构模型的模态试验,并在多功能转子实验台上开展不同转速下应力测试试验。结果表明,该结构模态频率的仿真结果与试验测试结果误差在4%以内,验证了所建立的有限元仿真模型的正确性;应力测试试验验证了其不同转速下的应力分布规律;离心力载荷对整体叶盘二节径振动下固有频率影响最为显著;空心叶盘较实心叶盘应力集中现象更为突出,且叶片根部应力值会随着叶片间隙的增大而有明显提高。     

基于Kriging模型的数据拟合及多场耦合动力学特性分析

航空发动机日益向高负荷、高效率和高可靠性的趋势发展,使得多物理场耦合问题越来越受到重视.以某型航空发动机压气机的叶盘系统为研究对象,采用循环对称分析法,建立了其单扇区三维流场和结构模型.考虑前一级静叶尾迹的影响,模拟了压气机内部的三维流场.基于Kriging模型实现了流场气动、温度载荷向结构场的传递,并讨论了气动、温度、离心力的耦合作用对压气机叶盘系统的疲劳寿命的影响.结果表明:利用Kriging模型进行多场耦合界面载荷数据的传递可以满足多场耦合动力学的计算要求.在低压压气机中,离心力载荷对叶盘系统的变形、应力起到主要作用,气动压强、温度载荷引起的弯曲应力可以抵消一部分离心力载荷引起的弯曲应力,但温度载荷会使得叶盘系统的最大变形增加.     

螺旋桨强度的厚壳元分析

本文介绍厚壳元形式的有限元方法,用来对螺旋桨强度进行数值分析。在编制螺旋桨应力分析的计算机程序时,考虑到螺旋桨叶几何形状复杂,为大幅度减少输入数据,加入自动生成桨叶弦向展向网格上坐标值的前处理子程序。用此计算机程序计算了文献[4]提供的实例,与实验结果比较表明本计算所得到的螺旋桨桨叶位移和应力与实验结果吻合良好。与板壳元法和三维曲面元法计算结果比较表明本方法与三维曲面元法一样,比板壳元法有更高的精度,而计算所需机时比三维曲面元法更省。     

某航空发动机压气机叶-盘耦合振动分析

基于循环对称结构模态分析基本理论,建立并验证压气机叶-盘结构耦合振动特性分析方法和流程。在能够线性求解的前提下,考虑叶-盘间实际连接情况,不忽略叶片榫头与轮盘榫槽间应力状态对振动特性的影响。选取某民航发动机高压压气机第三级叶-盘结构为分析对象,提取结构特征参数,在ANSYS软件中建立起叶-盘结构的三维有限元模型,并进行耦合振动仿真分析。首先计算该叶-盘结构在不旋转工况下的频率和振型,然后计算其在常用转速工况下存在预应力时的频率和振型,分析得到离心载荷对频率和振型的影响规律。最后分析其行波振动特性,计算3节径1,3,5阶行波节径振动频率。考虑外缘叶片受到周期性气体力对叶-盘的激振影响,画出共振特性曲线,为后续结构分析和排故提供依据,同时也为压气机叶-盘结构的振动特性分析提供了便于工程应用的方法。     

离心压缩机叶轮叶片疲劳断裂故障的数值分析

采用有限元方法计算了离心压缩机叶轮叶片的前14阶模态和离心力作用下的静应力,并采用单向流固耦合方法计算了叶轮叶片在非定常气动力载荷下的等效交变应力．为了节省计算成本,离心叶轮采用满足循环对称条件的单扇区模型．计算结果表明：非定常气动力载荷的主频率落入叶轮叶片第6阶固有频率的共振区,导致在叶轮叶片的前缘附近区域形成局部共振,使该区域的等效应力最大;离心叶轮叶片在离心力和非定常气动力共同作用下形成的交变应力小于工作条件下的屈服应力,不会形成叶片的塑性破坏,但交变载荷的长期作用导致了叶片前缘区域的高周疲劳破坏．预测的叶片应力集中位置和实际断裂位置一致,表明了该方法在工程实践中的有效性．     

某低压涡轮工作叶片高温低循环疲劳寿命预测

针对某航空发动机低压涡轮工作叶片建立了全尺寸有限元模型·根据台架试验及实际工作承载条件,综合考虑叶片工作时所承受的离心负荷与气流力,进行了弹塑性有限元分析;研究了箍带与叶身小孔的配合间隙对结构应力场分布的影响,发现叶片结构强度的薄弱之处为榫头第一喉部、叶身小孔及叶背一侧圆根处·以此为依据,对叶片进行了高温低循环疲劳寿命预测·计算结果表明:叶身小孔与箍带的最大配合间隙对结构静强度及寿命影响较大,寿命计算时应当考虑平均间隙量的影响;随着计算温度的提高,寿命计算结果大幅度下降·     

根部连接刚度对旋转叶片振动特性的影响

以一个扭型、变截面旋转叶片为研究对象,基于ANSYS有限元软件,采用变厚度的壳单元建立了叶片的有限元模型,并与实体单元进行对比;通过二者的固有频率和振型来验证本建模方法的准确性.随后分析了在离心刚化、旋转软化效应和科氏力共同作用下,径向连接刚度对叶片动频特性的影响,以及在离心力和气动力共同作用下径向连接刚度对叶片幅频响应的影响.研究结果表明,较小的径向刚度会产生刚体振型,且响应主要集中在低频段;中等径向刚度会产生一些耦合振型,响应集中在高频段;大的径向刚度接近固支情况,响应幅值较前二者小.